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Einrichtung zum Aufladen eines Kondellsators.
Wenn das Bedürfnis nach einem starken, kurz dauernden elektrischen Strom vorliegt, kann man als Energiequelle einen Kondensator verwenden, der mit einer verhältnismässig geringen Stromstärke aufgeladen werden kann. Der Entladestrom kann nämlich viel grösser sein als der grösste Strom, den die Ladestroniquelle liefern kann. Die Aufladung des Kondensators dauert dann eben lange im Verhältnis zur Entladung. Diese Art der Energiezuführung findet in Röntgenanlagen Verwendung. Die für die Aufladung des Kondensators mit Hilfe eines Hochspannungstransformators und einer Gleiehrichter-
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speisenden Kondensators betragen, und die Aufladung des Kondensators belastet das Weehselstromnetz nur ganz wenig, während die aufgenommene Energie doch sehr erheblich ist.
Bei der Aufladung des Kondensators nimmt mit steigender Spannung am Kondensator die Stärke des Ladestroms allmählich ab, konstante Impedanz im Ladestromkreis vorausgesetzt. Die Grösse der Anfangsstromstärke, mit der die Ladung des Kondensators eingeleitet werden kann, ist somit für die Geschwindigkeit der Aufladung massgebend. Eine Verkürzung der Ladezeit war daher bisher nur bei Steigerung der Leistungsfähigkeit der elektrischen Anlage erreichbar.
Erfindungsgemäss wird bei einer gegebenen Netzleistung die Zeit, welche für die Aufladung des
Kondensators nötig ist, dadurch verkürzt, dass zur Aufladung des Kondensators eine Stromquelle (gegebenenfalls ein Transformator) benutzt wird, deren Leerlaufspannung diejenige Spannung, auf die der Kondensator aufgeladen werden soll (die Betriebsspannung), stark überschreitet (um 300 oder mehr), und dass beim Erreichen dieser Spannung im Ladekreis des Kondensators Mittel zur Wirkung kommen, durch welche ein weiterer Spannungsanstieg am Kondensator selbsttätig verhindert wird.
Es können zu diesem Zwecke die Klemmenspannung der Stromquelle herabsetzende Mittel vorgesehen werden, oder es können Mittel verwendet werden, welche den Primärkreis einer den Kondensator über eine Gleichrichtervorriehtung aufladenden Wechselstromquelle unterbrechen. Falls der Ladestrom von einem Transformator geliefert wird, erfolgt diese Unterbrechung zweckmässig primärseitig.
Als eines der erstgenannten Mittel kann eine Entladungsstrecke (z. B. eine Funkenstrecke oder eine Gasentladungsröhre) dienen, die bei der Betriebsspannung durchgeschlagen wird und deren Strom- aufnahme ein Ansteigen der Klemmenspannung der Stromquelle über den Wert der Betriebsspannung verhindert oder die Klemmenspannung unter diesen Wert herabsetzt. Diese Entladungsstrecke kann bei einer mit Wechselstrom gespeisten Einrichtung entweder vor oder hinter der Gleichrichtervorrichtullg angeschlossen werden.
Es empfiehlt sieh aber, sowohl zwischen dieser Entladungsstrecke und der
Wechselstromquelle als auch zwischen ihr und dem Kondensator ein Ventil anzuordnen, um einerseits zu verhindern, dass der Kondensator an die Entladungsstrecke Energie zurüekliefert. und um anderseits eine Energieaufnahme während der nicht wirksamen Halbperioden des Wechselstromes zu verhindern.
Als Mittel zur Unterbrechung des Ladestromkreises kann ein spannungsempfindliches Relais benutzt werden, welches an einen Teil der Sekundärwicklung eines den Ladestrom liefernden Trans- formators angeschlossen ist und bei einer der Betriebsspannung entsprechenden Spannung den Primär- strom des Transformators ausschaltet. Das Relais kann, wenn die Sekundärspannung des Transformators dafür nicht zu hoch ist, auch zwischen den Enden der Sekundärwicklung angeschlossen werden, bei
Hochspannung aber zweckmässig an eine Anzapfung dieser Wicklung. Es ist klar, dass dieses Mittel nur für den Fall in Betracht kommt, dass der Spannungsabfall hauptsächlich im Transformator oder
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im Primärkreis stattfindet.
Enthält der Hochspannungskreis eine besondere zur Aufnahme des
Spannungsunterschiedes zwischen Weehselstromquelle und Kondensator dienende Impedanz, so kann an diese ein Relais angeschlossen werden, das beim Sinken der Spannung unter einen bestimmten Wert den Strom ausschaltet.
Das Relais darf nur auf die in den wirksamen Halbperioden auftretende Spannung, nicht aber auf die umgekehrt gerichteten Halbperioden ansprechen. Dies wird auf einfache Weise mit Hilfe eines gasgefüllten Entladungsrelais (Entladungsröhre mit Steuerelektrode) erreicht, zwischen dessen Steuerelektrode und Kathode die für die Steuerung verwendete Spannung derart angelegt wird, dass sie mit einer zwischen Anode und Kathode des Entladungsrelais angelegten Wechselspannung gleichphasig ist.
Das Entladungsrelais muss, wenn es an die Transformatorwicklung angeschlossen wird, durchgeschlagen werden, wenn die Kondensatorspannung auf den Wert der Betriebsspannung gestiegen ist. Zweckmässig wird vom Anodenstrom des Entladungsrelais ein Sehalter bewegt, der unmittelbar oder unter Zwischenschaltung einer weiteren Relaisvorriehtung den Primärstrom des für die Aufladung dienenden Transformators und auch den Anodenstrom des Entladungsrelais ausschaltet.
Die Erfindung wird an Hand der zwei Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt Spannungskurven, die zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung dienen.
Fig. 2 ist das Schaltbild einer Einrichtung, bei welcher die Spannung der Wechselstromquelle nach Erreichen der Betriebsspannung durch eine Hilfsbelastung in Form einer Entladungsstrecke herabgesetzt wird. Fig. 3 ist ein Beispiel einer Einrichtung mit einem den Ladestromkreis unterbrechenden Relaisschalter.
In Fig. 1 stellt die Exponentialkurve I den zeitlichen Verlauf der Spannung V an einem Kondensator dar, der mit Hilfe einer Stromquelle, die eine Spannung jEi liefert, bis auf diese Spannung aufgeladen wird. Die Steilheit der Tangente an diese Kurve ist ein Mass für die Ladestromstärke. Im
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gleich Null ist. Die Betriebsspannung EI ist dann erreicht.
Entsprechend der Krümmung der Kurve dauert die Aufladung ziemlich lange, jedenfalls viel länger als sie bei Aufladung mit gleichbleibender Stromstärke dauern würde. Man konnte die Auf- ladezeit z. B. bis auf t2 verkürzen, aber dann müsste die Anfangsstromstärke vergrössert werden auf den
Wert, der der Linie 12 entspricht. Die Spannung würde dann gemäss der Exponentialkurve 11 steigen.
Man ist aber in der Regel an eine hochstzulässige Stromstärke gebunden. Wenn man mit der Anfangs- stromstärke nicht höher gehen kann als bis auf den der Geraden 11 entsprechenden Wert, so kann die
Aufladezeit mit den bisher zur Verfügung stehenden Mitteln nicht verkürzt werden, es sei denn, man würde die Impedanz im Ladestromkreis während der Aufladung vermindern.
Erfindungsgemäss wird nun zum Aufladen des Kondensators auf die Spannung Ei nicht eine
Stromquelle mit der Spannung Ei verwendet, sondern eine solche, die eine merkliche höhere Leerlauf- spannung, z. B. die Spannung E2, hat. Die Anfangsstromstärke wird dabei nicht höher getrieben als im ersten Fall, die Gerade sei also auch die Berührungslinie im Ursprung der Kurve III. gemäss welcher jetzt die Spannung am Kondensator ansteigt. Diese Kurve nähert sich der Geraden V = E, nicht mehr asymptotisch, sondern schneidet sie unter einem Winkel, der nur wenig von der Kurvenneigung im Ursprung verschieden ist, u. zw. in einem Punkt, welcher der Zeit t2 entspricht. Auf diese Weise lässt sich also, ohne dass die Anfangsstromstärke vergrössert wird, die Ladezeit auf bequeme Weise herabsetzen.
Die Kurven sind für kontinuierliche Gleichspannung gedacht.
Die Erfindung ist besonders von Bedeutung für den Fall, dass der Ladestrom von einem kleinen Transformator geliefert wird, der selbst den Spannungsunterschied zwischen Beginn und Ende der
Kondensatorladung aufnimmt. Zur Ausführung der Erfindung braucht man dann einen Transformator. der zwar eine viel höhere Sekundärspannung, dafür aber einen grösseren Spannungsabfall (Streuung) hat. Die Anfangsleistung, welche das Netz zu liefern hat, kann somit unverändert bleiben. Die Leerlaufspannung der Stromquelle muss, um eine wesentliche Verkürzung der Aufladezeit zu erhalten, die Betriebsspannung um wenigstens 30% überschreiten.
Das Schaltschema der Fig. 2 zeigt einen Transformator mit einer Primärwicklung j ! und einer Sekundärwicklung 2. Der Transformator wird von einem Wechselstromnetz J aus über einen Schalter-/ gespeist. Wird dieser Schalter geschlossen, so fliesst von der Sekundärwicklung S über die Gleich- richterröhren 5 und 6 ein gleichgerichteter Strom, der den Kondensator 7 auflädt. Der Entladekreis des Kondensators ist nicht dargestellt. Die Sekundärwicklung. ? und die Ventilröhre 5 werden von einer Entladungsstrecke 8 überbrückt. Handelt es sich um eine Hochspannungsanlage, z. B. zum Betriebe von Röntgenröhren, so kann diese Entladungsstrecke eine Funkenstrecke sein. Sie kann auch aus einer gasgefüllten Entladungsröhre bestehen.
Die Durchbruchsspannung dieser Entladungsstrecke muss der Betriebsspannung des Kondensators gleich sein. Im Augenblick, wo diese Spannung erreicht wird, zündet die Entladungsstrecke 8 und muss nun so viel Strom aufnehmen, dass die sekundäre Klemmenspannung des Transformators nicht weiter steigen kann, obgleich die Leerlaufspannung viel höher ist.
Infolge der Zündung der Entladungsstrecke 8 darf die Klemmenspannung des Transformators auch unter die Betriebsspannung sinken, denn das Ventil 6 verhindert die Energierücklieferung vom Kondensator aus. Natürlich darf die Stromaufnahme der Entladungsstrecke nicht so gross sein, dass die
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Leistungsgrenze überschritten wird. Die Ventilrohr 5 verhindert die Zündung der Entladungsstrecke 8 unter dem Einfluss der in den nicht wirksamen Halbperioden auftretenden vollen Leerlaufspannung (Ei, in Fig. 1).
In Fig. 3 ist 9 eine gasgefüllte Entladungsröhre (Entladungsrelais) mit einer Glühkathode 10, einer Anode 11 und einer Hilfselektrode 7,'2. Die Sekundärwicklung' ? hat eine Abzweigung 13. die über einen Schutzwiderstand 1-1 mit der Hilfselektrode (dem Steuergitter') l2 verbunden ist. Ein Transformator mit einer Primärwicklung-M und einer Sekundärwicklung 16 dient als Stromquelle für den Anodenkreis der Röhre 9 und liefert auch den Glühstrom für die Kathode dieser Röhre.
Im Anodenstromkreis liegt die Betätigungsspule 17 eines Schalters M. In der gezeichneten Stellung schliesst dieser Schalter die in Reihe mit den parallel geschalteten Transformatorwicklungen 7 und 73 liegenden Kon- takte 19 und 20, so dass die beiden Transformatoren unter Spannung stehen. Die Anzapfung 1 : ; ist
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Spannung am Kondensator bis auf den Wert der Betriebsspannung gestiegen ist, das Steuergitter 1' ! jenes Potential hat, bei dem die Röhre 9 durchgeschlagen wird. Der Strom in der Wicklung 16 kann dann fliessen, und die Spule 17 legt den Schalter 18 um, so dass die beiden Transformatoren stromlos werden.
Der Kondensator, der nun die gewünschte Betriebsspannung hat. wird nicht weiter aufgeladen und kann die in ihm aufgespeicherte Energie z. B. an eine Röntgenröhe 21 abgeben. Die Mittel zum Einschalten des Entladungsstromes sind nicht angegeben. In bekannten Einrichtungen
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schalters im Anodenkreis der Röntgenröhre. Will man den Kondensator nach seiner Entladung wieder aufladen, so hat man dazu den Schalter 18 mit der Hand wieder in die gezeichnete Stellung zu bringen.
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